泡罩型氣體分布板強化細螢石顆粒流化行為研究

李金安，丁 潔，陳 誠

（1.郴州中化氟源新材料有限公司，湖南 郴州 424202；2.浙江大學聯(lián)合化學反應工程研究所，浙江 杭州 310058）

無水氟化氫是現(xiàn)代氟化工的基礎原材料之一，用作生產各類有機及無機氟化物的原料。工業(yè)中通常使用回轉窯法制備無水氟化氫。然而由于傳熱困難，為滿足反應器換熱需求，提高反應停留時間，回轉窯工藝所使用的回轉窯反應器往往體積龐大，并長期存在高能耗、易腐蝕及易泄漏等問題，近年來逐漸受到我國相關環(huán)保法規(guī)的限制。

為解決回轉窯工藝生產氟化氫存在的問題，目前業(yè)界公認最有效的方式為改善反應的傳質傳熱環(huán)境，據(jù)此各國進行了基于流化床反應器的新工藝開發(fā)[1-3]。其中，楊遙等[3]提出采用三氧化硫和水蒸氣作為氣相原料，細螢石顆粒作為顆粒相原料，通過氣固流化床反應器生產無水氟化氫的新工藝。該工藝通過控制三氧化硫、水和硫酸間的可逆反應和相平衡，能夠在保證極高反應效率的同時，顯著減少裝置內的液態(tài)硫酸含量，進而使傳統(tǒng)回轉窯工藝中普遍存在的高能耗、易腐蝕等問題得到解決。但是該工藝使用的細顆粒具有顯著粘性，應用于流化床反應器時流化效果有限，難以滿足工藝長時間運行需求，因此尚無大規(guī)模工業(yè)化的報道。

為解決細螢石顆粒難以流化的問題，Liu 等[4]采用孔板型氣體分布板流化床研究了細螢石顆粒在常溫及高溫條件下的流化特性。研究結果表明，在常溫狀態(tài)下，細螢石顆粒會在流化過程中因分子間作用力形成大量聚團。這些聚團會沉積于流化床分布板上方區(qū)域，進而形成流動死區(qū)，使得顆粒的流化質量大大下降。即使在最理想的流化氣速下，采用孔板型氣體分布板的流化床僅能使螢石粉的流化分率達到50%左右，遠遠無法達到工業(yè)需求。Lin 等[5]通過聲信號檢測等手段，發(fā)現(xiàn)在細螢石顆粒流化過程中，存在三層分層流化現(xiàn)象，即流化床底部為帶溝流的固定床，中間區(qū)域為鼓泡流化床，上方為充氣流化床。此類分層流化的現(xiàn)象，導致細螢石顆粒的流化質量受到限制。

為進一步提高細螢石顆粒的流化質量，為工業(yè)化應用做鋪墊，本研究采用泡罩型分布板流化細螢石顆粒，通過改變底部氣流方向，破壞沉積于流化床底部的顆粒聚團，進而消除帶溝流的固定床區(qū)域，使細螢石顆粒的流化質量得到提升。同時，通過聲信號特征判斷及計算流體動力學（CFD）模擬方法，進一步闡釋并驗證泡罩型分布板改善細螢石顆粒流化質量的作用機制。

1 實驗裝置及檢測方法

本研究實驗裝置示意圖如圖1 所示。裝置內徑為240 mm，總高為1300 mm。孔板型氣體分布板的孔徑為1 mm，開孔率為1.6%。泡罩型分布板上裝有55 個風帽，風帽直徑為15 mm，高為30 mm，每個風帽上有12 個直徑為1 mm 的氣孔，其中8個在下部直管段，4 個在上部閉合段，風帽開孔孔徑為1 mm，開孔率為1.6%。距分布板10 mm、30 mm、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、300 mm 高度處設壓力檢測孔用于安裝引壓管。

圖1 流化床實驗裝置

本研究使用細螢石顆粒作為流化顆粒，其真密度為3180 kg/m3，振實密度為1870 kg/m3，堆積密度為1430 kg/m3，氟化鈣含量為97%。利用馬爾文激光粒度儀（Malvern Mastersizer 2000）測得細螢石顆粒的粒徑，顆粒的粒徑分布見圖2。

圖2 細螢石顆粒粒徑分布圖

本研究使用的流化氣為由鼓風機提供的常壓空氣。壓力脈動探頭型號為1151DP，量程為0～5 kPa，數(shù)據(jù)采集卡采用美國國家儀器公司（NI）生產的NI PCI-6071E，壓力脈動信號的采樣頻率為400 Hz，采樣為時間60 s。聲信號測量與數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)（UNIAE-2003）由浙江大學聯(lián)合化學反應工程研究所自行開發(fā)，聲信號采樣頻率為500 kHz，采樣時間為5 s。

2 結果與討論

2.1 氣體分布器結構對細顆粒流化床的影響

向試驗裝置內分別填入靜床高為12 cm（高徑比為0.5）的細螢石顆粒，使用孔板型氣體分布板和泡罩型氣體分布板，分別通過升速法和降速法對細螢石顆粒的起始流化曲線進行繪制，結果如圖3 所示。

圖3 孔板型氣體分布板和泡罩型氣體分布板的起始流化曲線

由圖3 可知，泡罩型氣體分布板的起始流化曲線與孔板型相比較，更接近B 類顆粒。相比孔板型氣體分布板，泡罩型氣體分布板流化床的流化質量提升顯著，其流化分率由50%提升至85%。表明泡罩型氣體分布板具有提升細螢石顆粒流化質量的效果。

根據(jù)細螢石顆粒的堆積密度及真密度，顆粒未流化時的空隙率為0.55。使用孔板型氣體分布板流化細螢石顆粒時，床層膨脹比（流化后床高與初始靜床高之比）最大為1.4，此時床層空隙率為0.68，顆粒間氣相體積增加23.7%。圖4 為不同操作條件下使用泡罩型氣體分布板流化細螢石顆粒的床層膨脹比。在泡罩型氣體分布板流化床中，床層膨脹比最大可達1.75，此時空隙率為0.74，顆粒間氣相體積增加34.5%。泡罩型氣體分布板相比孔板型氣體分布板，顆粒間氣相體積增加45.6%，顆粒間隙中存在更多流化空氣，有效強化了氣固分散效果，從另一個角度證明泡罩型氣體分布板具有提升細螢石顆粒流化質量的效果。

圖4 泡罩型氣體分布板流化床在不同操作條件下床層膨脹比

使用孔板型氣體分布板流化細螢石顆粒時，中上床層通常流化效果較好，床層底部則形成帶溝流的固定床，為弱流化區(qū)域。為對比兩種氣體分布板對弱流化區(qū)域的破壞情況，在孔板型氣體分布板中帶溝流的固定床區(qū)高度占流化床總高較多的初始條件即高徑比為0.2～0.6（靜床高5～13 cm）下進行實驗，通過聲發(fā)射檢測手段對泡罩型氣體分布板中細螢石顆粒的流化行為進行分析，進而研究泡罩型分布板的流化強化機制。圖5為泡罩型氣體分布板在不同初始條件及流化氣速下聲能量的軸向分布，相對應流化床高如圖中虛線所示。如圖5 所示，除高徑比為0.2 的初始條件外，在0.3～0.6 初始高徑比的實驗中，床層中部均出現(xiàn)明顯的聲能量峰及能量谷，依據(jù)Lin 等[5]提出的判斷標準，在這些條件下細螢石顆粒在流化過程中形成三層分層流化。

圖5 泡罩型氣體分布板流化床中聲能量軸向分布

在孔板型氣體分布板流化床流化細螢石顆粒時，相鄰位點間聲能量強度比通常小于2[5]。如圖5 所示，在各操作條件下，聲能量均在4 cm 或7 cm 處出現(xiàn)突增，且其聲能量相對1 cm 處的強度比大于10，遠高于孔板型氣體分布板，說明泡罩型氣體分布板流化床中，顆粒在相應位置的運動強度遠大于孔板型氣體分布板。因此可判斷，泡罩型氣體分布板極大強化了氣體分布板區(qū)域的細螢石顆粒運動，使帶溝流的固定床區(qū)受到破壞，進而使流化質量得到提升。

2.2 泡罩型分布板的計算流體動力學（CFD）模擬

相比孔板型氣體分布板，泡罩型氣體分布板會在分布板區(qū)形成更復雜的流場。其原理在于，泡罩型氣體分布板風帽上的氣孔分為沿水平方向分布和沿斜上方向分布兩種，水平分布及斜向分布的氣孔使相鄰兩風帽形成的氣流相互作用，進而形成復雜湍流，使氣流對分布板底部帶溝流的固定床的破壞作用增強。為進一步明確此類作用原理，本研究對泡罩型氣體分布板及其附近區(qū)域的氣體流場進行了模擬。

泡罩型氣體分布板風帽結構如圖6 所示。由于風帽上分布多個直徑為1 mm 的圓形氣孔，且風帽結構復雜，故采用非結構網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，并對風帽的曲面部分網(wǎng)格進行加密，使模型網(wǎng)格質量以及模擬計算精度得到提升。為使模擬結果更具真實性，模擬采用標準k-ε 模型。

圖6 泡罩型氣體分布板風帽幾何模型

圖7 為流化床表觀氣速為0.110 m/s（2umf）時，垂直剖面上單風帽附近的氣速分布等值線圖。由圖7 可知，氣體速度在靠近氣孔后增大，并于氣孔處達到最大值，最終在通過氣孔后逐漸下降。每個氣孔均會在風帽外部開放空間形成與孔朝向一致的氣體沖蝕區(qū)域，其沖蝕長度約為風帽直徑的0.5～1 倍。

圖7 單風帽周圍氣速分布圖（u=0.110 m/s）

泡罩型氣體分布板的三維幾何模型如圖8所示。在該模型中，同樣對風帽的曲面部分網(wǎng)格進行了加密。圖9 為流化床表觀氣速為0.110 m/s（2umf）時泡罩型氣體分布板附近垂直剖面上的氣速分布等值線圖，圖9（a）～9（c）為三個不同尺度上的氣速分布。由圖9(a)可知，泡罩型氣體分布板主要對氣體分布器及其上方10 cm 內區(qū)域產生影響。由圖9(b)可知，相鄰兩風帽間氣體沖蝕區(qū)域可以完全覆蓋分布板無風帽區(qū)域，分布板處不會出現(xiàn)死區(qū)。圖9(c)中風帽附近氣體速度分布與圖8相似，說明在該分布板中相鄰風帽間相互影響不明顯。因此泡罩型氣體分布板能夠在各氣體分布板及其上方3 cm 內區(qū)域形成氣體沖蝕區(qū)域，與細螢石顆粒流化時床層底部形成的帶溝流的固定床區(qū)域重合，證實了正是由于帶溝流的固定床區(qū)受到破壞，床層流化質量得到提升。

圖8 泡罩型氣體分布器幾何模型

圖9 泡罩型氣體分布板附近的氣體速度分布(u=0.11 m/s)

3 結論

本文通過改造氣體分布板結構，探索了細螢石顆粒流化質量的強化方法。采用泡罩型氣體分布板流化細螢石顆粒，相比孔板型氣體分布板，床層流化分率由50%提升至85%，床層膨脹比從1.4 增大至1.75，泡罩型氣體分布板具有良好的細螢石顆粒流化強化效果。通過聲信號檢測手段，發(fā)現(xiàn)靠近底層區(qū)域的聲信號能量激增，原處于帶溝流的固定床區(qū)域的顆粒運動增強，泡罩型氣體分布板起到破壞帶溝流的固定床的作用。借助計算流體力學手段對風帽及泡罩型氣體分布板的氣體流場進行了模擬，發(fā)現(xiàn)分布板上風帽氣孔形成的氣體沖蝕區(qū)域影響范圍與細螢石顆粒流化床底部帶溝流的固定床區(qū)域高度重合，證明泡罩型分布板強化細螢石顆粒流化的方式為破壞床底部帶溝流的固定床。